多角度对地观测技术

多角度对地观测技术

摘要：伴随着航天技术的巨大进步，空间遥感对地观测获得了飞快的发展。现在可对地球环境进行多角度立体观测和微波遥感全天候监测。预计在今后的15到20年里，将有更多的不同类型的对地观测卫星发射，形成全天候、多角度、高分辨率、高光谱及日覆盖的卫星遥感观测系统，人类将可以实时地开展空间对地观测，进行地球环境的调查、监测与研究工作。本文着重讨论多角度对地探测技术中的基本原理、关键技术与难点、新的研究思路、发展动态分析等，并根据国内外的发展现状对该技术进行展望。

关键词：多角度对地观测技术，立体成像技术，地物识别

Multiple- Angle Earth Observation Technology

Abstract:Accompany with the greatness advancements of space technology, space remote sensing the earth acquired a rapid development . Now we can observe the earth’s environment in multiple-angle and microwave remote sensing round-the-clock monitoring . To estimate in the following 15~20 years , there will launch more kinds of Earth Observation satellites , forming a Satellite remote sensing observation system of all-weather , multiple-angle , high resolution , Hyper spectral and Day coverage . The human can carry out Space on earth observation in real time , proceed the work of inquiring , surveying and researching the earth’s environment . This article emphasized the fundamental , key technology , difficult point , Research Ideas and Development dynamic analysis of Multiple- Angle Earth Observation Technology . We prospect this technology according the development of domestic and overseas . Key words: multiple-angle earth observation technology, stereoscopic imaging technology, ground objects identification

近几十年来，对地观测系统随着航天、航空、平流层等平台技术，光学、微波等有效载荷技术的发展而逐步发展壮大。目前，世界各国已建立了面向各种应用的多个空间对地观测系统，构成了对陆地、海洋、大气等各个层面的全方位、立体观测体系，在维护国家安全、促进经济建设和推动技术发展等诸多方面发挥着越来越重要的作用。对地观测是以地球为观测对象，依托卫星、飞船、航天飞机、飞机以及近空间飞行器等空间平台，利用可见光、红外、高光谱和微波等多种探测手段，获取信息并进行处理和形成产品的过程。相应的承载平台、探测手段、处理及应用设备等共同构成对地观测系统。对地观测系统，根据承载平台所处空域的不同可分为天基、空基和临近空间三大类；根据用途不同可分为军用系统、民用系统、商业系统。

对地观测技术以其在军事、国民经济建设等领域的广泛应用前景而受到世界各国的重视。早期，对地观测技术的研究与应用主要是在军事领域，以军事侦察和大比例尺制图为目的。美国和俄罗斯在这方面起步较早，并始终走在世界前列，发展并建立了先进的高分辨率军事对地观测体系。20世纪90年代以后，随着经济、社会的发展，高分辨率对地观测逐渐进入民用领域，并迅速地发展起来。21世纪初，对地观测技术已进入以高分辨率、高精度、全天候信息获取和自动化快速处理为特征的新时期。

基于上述情况，多角度对地观测技术越来越成为遥感技术的前沿领域，在今后的数十年也将继续引领遥感技术。目前对于多角度对地观测技术的研究主要分立体对地观测技术及地物辐射识别技术两个方向，下面将就这两个方向分别进行阐述。

1.立体对地观测技术

立体对地观测系统，就是各种信息获取卫星对所关心区域进行信息收集，并对信息进行处理、管理和分发的系统，是由各类信息获取卫星、地面站、信息处理与分发系统等构成的复杂体系。随着现代战争对空间对地观测系统的依赖性不断增大，立体对地观测系统正由传统上各系统独立运行，向多系统协同工作、重视情报服务和应用、谋求整体效能较高的体系化方向发展。而立体对地观测系统中的一个关键技术就是立体成像技术。

遥感中的立体成像技术的研究在国际上始于八十年代初期,它同微波合成孔径雷达、成像多光谱技术一起成为目前空间遥感中最主要的信息获取手段。德国首先开展了MEOSS试验,随后制定了MOMS-01和MOMS-02计划,研制多光谱扫描成像系统和多相机扫描立体成

像系统。其中高分辨率直视扫描仪的分辨率为4.5m,立体图像的高度分辨率达12m。日本在

其发射的地球资源卫星1号上装载的光学传感器系统,包括微波合成孔径雷达、多光谱扫描成像设备和立体成像设备,立体成像设备的地面分辨率的设计指标为18m。法国在SPOT-4计划中,要在卫星上装两套与航向垂直的方向形成立体图像的高几何分辨率的立体成像设备,其

地面分辨率可达5m。美国和苏联也把空间立体成像技术作为遥感传感器的发展重点,已经发展了几种用于空间遥感的立体成像系统。目前有三种方案可实现空间立体成像。第一种方案是在空间载体上安装三套CCD线扫描相机,分别前视、直视和后视放置。利用空间载体在轨道上的运动,自动实现在航向方向的扫描。信息被输入到计算机中,进行重构和处理,可以得到地面的立体图像。由于这种图像真实地反映了地球的面貌,直观可靠,容易辨认和识别,特别适合于地球资源考察、军事侦察和测绘,因此受到很大的重视。第二种方案是在空间载体中放置左右倾斜的CCD线扫描相机。利用卫星两次沿不同轨道飞行来获得地物目标在左右

倾角下的信息,经过数字处理,同样也可以得到立体图像。这对载体飞行轨道有严格要求,实现起来比较困难。第三种方法是在载体上安装一个CCD线扫描相机,实现航向方向的扫描,

获得地面的两维信息,同时在载体上安装一个激光测高仪,在扫描过程中同时测出每个像元

的高度,经过数字处理,也可以得到三维图像。然而由于扫描速率很高,激光测高仪的测高速率难以匹配,只能隔几个像元测一次,中间像元的高度靠内插办法求出,因此高度维的精度受到限制。

立体图像通常是靠空间体视效应实现的。人的双眼就是一种典型的体视仪器,其体视深度和分辨率取决于体视仪器的基线长度(对于人眼,就是瞳孔距)。人眼的瞳孔距一般为55～65mm,经过计算其体视深度为1000m左右,体视分辨率也不高。为了增加体视深度和分辨率,就要加大基线长度。目前的飞机和星体的尺寸为几米到十几米,在这样的尺寸范围内安放空间体视设备,其基线长度一般不会超过10m。这样的基线长度所能达到的体视深度,远远满足不了星载立体成像的要求,实际上得不到立体图像。为了增加基线长度,可以在飞机或星体上,按前视、直视和后视的方式安装三个CCD扫描相机,如图1所示。在载体飞行过程中,实现了对地物目标的扫描成像,在一定的时间间隔内前视和后视相机可以获得同一目标在不同视角下的信息,如图2所示。在T0时间,前视相机A在+α的倾角下获得地面S处的信息。当载体飞行(T1-T0)时间后,直视相机B在直视下获得地面S处的信息。经过(T2-T0)时间,载体上的后视相机C在-α的后倾角下获得地面S处的信息。实际上在(T2-T0)的时间间隔内载体飞行的水平距

离就是基线长度。该长度与飞行速度、相机的前后倾夹角和飞行高度有关。即

L= 2Htanα=V(T2-T0)

式中L为基线长度,H为飞行高度,V为载体速度,α为倾斜相机与直视相机轴线间的夹角。当H= 300 km,α=22.5°时,

L= 2×300×tan22.5°= 248.5 km

可以把这样获得的基线长度称之为合成基线长度。